水流量對(duì)PV/T系統(tǒng)效率、火用能及環(huán)境效益的影響

劉健圳,田麗亭,吳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),胡紫林

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

光伏（PV）發(fā)電是太陽能利用的主要方式。當(dāng)光照到達(dá)光伏電池組件上時(shí)，只有一小部分太陽能通過光伏電池轉(zhuǎn)化為電能，其余能量以熱能或其他形式的能量散失到周圍環(huán)境中。在光-電轉(zhuǎn)換過程中，光伏電池的溫度每升高1℃，光電轉(zhuǎn)化效率降低0.45%～0.50%[1]～[4]。光伏電池的溫度過高會(huì)降低其使用壽命。光伏-光熱綜合利用（PV/T）技術(shù)是在光伏板背面鋪設(shè)管道，工質(zhì)流經(jīng)管道帶走熱量。該技術(shù)不僅能降低光伏電池溫度，提高光伏電池的壽命和電效率，還可將熱量收集起來加以利用。

按工質(zhì)分類，PV/T系統(tǒng)可分為空冷式和液冷式[5]。由于液態(tài)工質(zhì)的換熱系數(shù)大，熱容量高，因此液冷式PV/T系統(tǒng)被廣泛研究與應(yīng)用。Tripanagnostopoulos以水作為冷卻工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其PV/T系統(tǒng)的熱效率為55%～70%[6]。Sultan研究結(jié)果顯示，在晴天條件下水冷式PV/T系統(tǒng)的電效率和熱效率分別為12.89%和61.3%，最高綜合效率為74.1%[7]。文獻(xiàn)[8]～[10]的研究顯示，太陽輻射強(qiáng)度、管道形狀及排列方式會(huì)影響PV/T系統(tǒng)的性能，冷卻工質(zhì)流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響也是一個(gè)重要的參數(shù)。Fudholi在太陽輻射強(qiáng)度給定的條件下研究了一種水冷型PV/T系統(tǒng)的光伏光熱性能，通過改變水的質(zhì)量流量（0.011～0.041 kg/s）測(cè)試了系統(tǒng)性能。測(cè)試結(jié)果表明，PV板溫度降低與質(zhì)量流量增加并不是線性關(guān)系，在質(zhì)量流量達(dá)到0.024 kg/s后，PV板溫度下降幅度減小[11]。Dubey對(duì)流量為0.03 kg/s和0.06 kg/s的圓管式PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)流量為0.06 kg/s時(shí)，系統(tǒng)熱電效率較高[12]。Yu對(duì)PV/T系統(tǒng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，當(dāng)水流速為0.05～0.25m/s時(shí)，隨著流速的增加，系統(tǒng)的熱電效率逐漸提高，在流速達(dá)到0.15m/s后，熱電效率提高的幅度減??；在太陽能集熱利用方面，除了對(duì)系統(tǒng)熱電性能進(jìn)行分析外，還對(duì)系統(tǒng)的火用能和環(huán)境效益進(jìn)行了分析[13]。Mishra采用改變采光面積的方法探究了定溫模式下水冷式PV/T系統(tǒng)的能量與火用效率[14]。Moosavian研究了氣候變化對(duì)拋物型太陽能集熱器系統(tǒng)性能的影響，研究結(jié)果表明，在濕潤(rùn)性大陸氣候條件下系統(tǒng)的火用效率最高，在濕潤(rùn)亞熱帶氣候下系統(tǒng)碳排放成本為0.16$/d[15]。

效率分析是在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換和利用情況。火用分析可以在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上跟蹤能量的利用過程，并分析過程不可逆性的機(jī)理，評(píng)價(jià)能量的品質(zhì)和系統(tǒng)的可行性。環(huán)境效益分析是對(duì)系統(tǒng)的CO2減排量及碳排放費(fèi)用等參數(shù)進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益性。綜上可見，大部分學(xué)者在探究水流量對(duì)水冷式PV/T系統(tǒng)性能的影響時(shí)，主要對(duì)系統(tǒng)的熱電性能進(jìn)行分析，很少同時(shí)從更多層面來分析不同冷卻水流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本文搭建了以水為冷卻工質(zhì)的PV/T實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從效率、火用能和環(huán)境效益3個(gè)層面進(jìn)行分析，對(duì)不同體積流量下的PV/T系統(tǒng)性能開展了綜合研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文搭建了水冷式PV/T系統(tǒng)性能研究的實(shí)驗(yàn)裝置，利用鹵鎢燈模擬太陽輻射進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置主要由PV/T組件、鹵鎢燈、水箱、蠕動(dòng)泵、風(fēng)冷式散熱器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、數(shù)字萬用表、數(shù)據(jù)采集器等裝置組成（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental system diagram

PV/T組件主要由光伏板、導(dǎo)熱硅膠墊、吸熱板、管道和保溫材料組成（圖2）。

圖2 PV/T組件示意圖Fig.2 Schematic diagram of PV/Tmodule

為了減少管道與吸熱板間的熱阻，0.8mm厚的吸熱板與管道焊接處理，并用導(dǎo)熱硅膠填充縫隙，再利用2 mm厚的導(dǎo)熱硅膠墊將770 mm×670mm的PV板與吸熱板粘合，在管道背面鋪設(shè)保溫材料，防止熱量散失。管道由2根外徑為38 mm的集管和10根外徑為12mm的排管組成。為了更好地傳輸熱量，使排管與吸熱板密切接觸，將2根集管布置在PV板外面。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程：在蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，水箱中的水進(jìn)入風(fēng)冷式散熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)段入口溫度的控制；進(jìn)入PV/T組件中的水帶走光伏板產(chǎn)生的熱量，降低光伏板溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率；被PV/T組件加熱的水回到水箱。實(shí)驗(yàn)中，共使用了7個(gè)T型熱電偶用于測(cè)量PV/T系統(tǒng)各位置的溫度，其中，5個(gè)熱電偶分別沿兩條對(duì)角線布置在光伏板背面，測(cè)量光伏板溫度；兩個(gè)熱電偶分別置位于集管的進(jìn)出口截面中心處，測(cè)量管道進(jìn)出口水溫。所有熱電偶均與數(shù)據(jù)采集器（Agilent）連接，每隔10 s記錄一次。采用數(shù)字萬用表來記錄光伏板的輸出電流和輸出電壓，每隔10min記錄一次。采用太陽能功率計(jì)測(cè)量光伏板不同位置（編號(hào)1-20）處的光照輻射強(qiáng)度，以20個(gè)位置的輻射強(qiáng)度平均值作為光伏板接收到的輻射強(qiáng)度（圖3）。

圖3 光伏板上不同測(cè)試點(diǎn)處輻射強(qiáng)度Fig.3 Radiation intensity at different test points on the PV panel

3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

3.1 系統(tǒng)效率

PV/T系統(tǒng)電效率ηe計(jì)算式[16]：

式中：Tref為參考環(huán)境溫度，Tref=25℃；ηref為光伏板光電轉(zhuǎn)換效率，在參考輻照強(qiáng)度Gref=1 000W/m2條件下，ηref=18%；βref為光伏板的溫度系數(shù)，βref=0.0045℃-1；Tpv為光伏板的平均溫度，℃。

PV/T系統(tǒng)熱效率ηth計(jì)算式[17]：

式中：cp為工質(zhì)水的比熱容，J/（kg·℃）；m(·)為質(zhì)量流量，kg/s；Tout為管道出口處水的溫度，℃；Tin為管道進(jìn)口處水的溫度，℃；G為光伏板接收的平均輻射強(qiáng)度，W/m2；A為光伏板面積，m2。

PV/T系統(tǒng)綜合效率ηtotal計(jì)算式：

3.2 火用分析

PV/T系統(tǒng)輸出熱火用Exth計(jì)算式[17]：

式中：Ta為環(huán)境溫度，℃。

PV/T系統(tǒng)輸出電火用Exel計(jì)算式[16]：

式中：Isc為短路電流，A；Voc為開路電壓，V；FF為光伏板的填充系數(shù)，F(xiàn)F=0.757。

PV/T系統(tǒng)輸入火用Exin計(jì)算式[17]：

式中：Tsun為太陽表面溫度，Tsun≈5 800K[11]。

PV/T系統(tǒng)火用效率ηex的表達(dá)式[16]：

3.3 環(huán)境分析

在全球變暖的形勢(shì)下，使用太陽能、風(fēng)能等可再生能源適當(dāng)替代化石燃料，可以減少碳排放，改善環(huán)境。每年P(guān)V/T系統(tǒng)CO2減排量φCO2的計(jì)算式[18]：

式中：ΨCO2為燃煤發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳量，ΨCO2=2.04 kg/（kW·h）；Een，ann為一年2 500 h內(nèi)的PV/T系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h/a。

PV/T系統(tǒng)碳排放費(fèi)用減少量ZCO2的計(jì)算式如下[18]：

式中：zCO2為碳排放費(fèi)用，zCO2=14.5$/kg。

3.4 誤差分析

實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量PV板溫度、水進(jìn)出口溫度的T型熱電偶測(cè)量誤差為±0.2 K；太陽能功率計(jì)測(cè)量誤差為±10W/m2；轉(zhuǎn)子流量計(jì)為1.5級(jí)精度。本文采用了二次冪法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。間接測(cè)量物理量y的不確定度由直接測(cè)量物理量（x1，x2，…，xn）的不確定度按二次冪傳遞：

在本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)的電效率、熱效率和火用效率的相對(duì)不確定度分別為0.28%，5.38%和5.4%。

4 結(jié)果與分析

4.1 PV板溫度

在不同的冷卻水流量條件下，PV/T系統(tǒng)中的PV板溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。PV板溫度是光伏板背面5個(gè)熱電偶測(cè)量溫度的平均值。冷卻水流量為零時(shí)的PV板溫度是普通光伏系統(tǒng)中的PV板溫度。

圖4 PV板溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of PV panel temperature with time

由圖4可知，系統(tǒng)運(yùn)行初期，PV/T系統(tǒng)中的PV板溫度逐漸升高，在2 400 s達(dá)到65.1℃，此后溫度趨于穩(wěn)定；普通PV板的溫度繼續(xù)上升，直到6 000 s時(shí)溫度達(dá)到74.7℃，然后逐漸穩(wěn)定。由于PV/T系統(tǒng)中工質(zhì)水能夠顯著帶走PV板上的熱量，降低PV板溫度，因此PV/T系統(tǒng)中的PV板溫度均低于普通PV板。當(dāng)水的體積流量為20 L/h時(shí)，PV板溫度從工作初的26.5℃上升到65.1℃而趨于穩(wěn)定。隨著冷卻水量的加大，PV板溫度隨之下降，在20～100 L/h流量?jī)?nèi)，PV板的溫度從65.1℃下降到61.2℃。這是因?yàn)殡S著體積流量增加，流速增大，雷諾數(shù)增大，換熱系數(shù)增大，加強(qiáng)了換熱，工質(zhì)水吸收的熱量增加，從而使PV板表面冷卻效果加強(qiáng)，溫度降低。

4.2 效率分析

在不同的冷卻水流量條件下，PV/T系統(tǒng)電效率隨時(shí)間的變化如圖5所示。

精業(yè)務(wù) 勤為民 盡所能（盛淳燦） ...................................................................................................................2-15

圖5 電效率隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of electrical efficiency with time

由圖5可知，在系統(tǒng)運(yùn)行初期，PV/T系統(tǒng)的電效率逐漸下降，在2 400 s后，PV/T系統(tǒng)的電效率沒有明顯變化而達(dá)到穩(wěn)定；普通PV板的電效率繼續(xù)下降，直到6 000 s才逐漸達(dá)到穩(wěn)定。PV/T系統(tǒng)電效率的變化趨勢(shì)與PV板溫度變化趨勢(shì)相反，這是因?yàn)镻V板溫度增加會(huì)降低其電性能，從而導(dǎo)致電效率下降。在沒有冷卻的情況下，PV板電效率為13.97%。PV板電效率會(huì)隨著冷卻水體積流量的增加而提高，水流量越大，電效率越高。當(dāng)冷卻水體積流量為20 L/h和100 L/h時(shí)，電效率分別為14.75%和15.06%，冷卻水流量每增加10 L/h，PV板電效率提高0.039%。

圖6是PV/T組件中冷卻水進(jìn)出口溫差隨時(shí)間的變化圖。由圖6可知，進(jìn)出口溫差隨著流量的增加而減小，當(dāng)體積流量為20 L/h和100 L/h時(shí)，進(jìn)出口溫差分別為5.6℃和1.5℃。圖中還顯示，隨著流量的增加，進(jìn)出口溫差降低的幅度也在逐漸減小。當(dāng)流量從20 L/h增加到40 L/h時(shí)，進(jìn)出口溫差降低了2.3℃，降幅為41.1%；流量從80 L/h增加到100 L/h時(shí)，進(jìn)出口溫差僅降低了0.2℃，降幅為11.8%。

圖6 冷卻水進(jìn)出口溫差隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of inletand outlet temperature difference of coolingwater with time

在不同的冷卻水流量下，PV/T系統(tǒng)熱效率隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖7可見，在系統(tǒng)工作初期，由于光伏板溫度逐漸上升，冷卻水吸收的熱量隨之增加，系統(tǒng)熱效率逐漸提高；在2 400 s后，光伏板溫度穩(wěn)定，系統(tǒng)的熱效率也相應(yīng)地趨于穩(wěn)定。冷卻水流量的增加可以有效地提高系統(tǒng)的熱效率，流量越大，熱效率越高。當(dāng)流量為20 L/h和100 L/h時(shí)，系統(tǒng)熱效率分別為47.32%和62.63%。

圖7 熱效率隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of thermal efficiency with time

為全面評(píng)價(jià)PV/T系統(tǒng)在能量利用方面上的優(yōu)勢(shì)，采用綜合效率這一參數(shù)對(duì)其進(jìn)行性能綜合分析。

圖8是PV/T系統(tǒng)綜合效率隨時(shí)間的變化情況。綜合效率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)與熱效率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同。這是因?yàn)闊嵝试诰C合效率中的占比較大。

圖8 綜合效率隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of comprehensive efficiency with time

圖9顯示冷卻水體積流量對(duì)PV/T系統(tǒng)綜合效率的影響。由圖9可知，隨著冷卻水流量增加，系統(tǒng)的綜合效率也在增加。當(dāng)體積流量為20 L/h和100 L/h時(shí)，PV/T系統(tǒng)綜合效率分別為62.07%和77.69%。由于普通PV板沒有對(duì)熱量的利用，其綜合效率即電效率僅為13.97%。由此明顯地看出，與普通PV系統(tǒng)相比，PV/T系統(tǒng)能更好地實(shí)現(xiàn)能量的綜合利用。

圖9 冷卻水體積流量對(duì)綜合效率的影響Fig.9 Influence of volume flow rate on comprehensive efficiency

4.3 火用分析

圖10 電火用和熱火用隨時(shí)間的變化Fig.10 Variations of electrical exergy and thermal exergy with time

由圖10可見，電火用隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與電效率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。隨著系統(tǒng)工作時(shí)間增加，PV板溫度升高，電火用減少，在2 400 s后趨于穩(wěn)定。冷卻水流量也會(huì)對(duì)電火用產(chǎn)生影響，體積流量越大，電火用越大。當(dāng)體積流量從20 L/h增到100 L/h時(shí)，電火用從40.67W增加到41.53W。熱火用隨時(shí)間的變化是先逐漸增加而后趨于穩(wěn)定。熱火用隨流量的變化分為兩個(gè)階段，當(dāng)體積流量為20 L/h和40 L/h，管道內(nèi)的流動(dòng)處于層流狀態(tài)，系統(tǒng)的熱火用隨著流量的增加而減小；當(dāng)體積流量為60，80 L/h和100 L/h時(shí)，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，隨著流量增加，熱火用也在增加。這是由于系統(tǒng)的熱火用受到冷卻水吸收熱量和出口溫度兩個(gè)因素的共同影響，冷卻水吸收熱量越多，出口溫度越高，系統(tǒng)的熱火用越高；當(dāng)冷卻水流量較小時(shí)，管道內(nèi)流動(dòng)為層流，水流速度較慢，出口溫度較高。雖然此時(shí)冷卻水的吸收熱量相對(duì)較少，但是出口溫度升高，提升了能量的品位，系統(tǒng)的熱火用反而較高。當(dāng)冷卻水流量從20 L/h增大到40 L/h時(shí)，流速增大，換熱增強(qiáng)，冷卻水吸收熱量增大，但流體在PV組件內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間變短，出口溫度大幅降低，系統(tǒng)熱火用減小。當(dāng)冷卻水流量較大時(shí)，隨著流量增大，出口溫度小幅下降。由于出口溫度降低產(chǎn)生的影響小于冷卻水吸熱量增大的影響，因此系統(tǒng)的熱火用隨著冷卻水流量的增加逐漸增大。

PV/T系統(tǒng)的火用效率隨時(shí)間的變化如圖11所示。系統(tǒng)運(yùn)行初期，隨著時(shí)間的增加，火用效率逐漸減小，在2 400 s后，火用效率趨于穩(wěn)定。

圖11 火用效率隨時(shí)間的變化Fig.11 Variation of exergy efficiency with time

圖12是冷卻水體積流量對(duì)PV/T系統(tǒng)火用效率的影響情況。

圖12 冷卻水體積流量對(duì)火用效率的影響Fig.12 Influence of volume flow rate on exergy efficiency

由圖12可知，體積流量為零時(shí)，沒有對(duì)熱量的回收利用，其火用效率和電火用率同為14.97%。冷卻水流量較小時(shí)，冷卻水流動(dòng)處于層流狀態(tài)，系統(tǒng)的火用效率隨著流量的增加而減小，體積流量為20 L/h和40 L/h時(shí)，火用效率分別為17.21%和17.05%。當(dāng)冷卻水流量較大時(shí)，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)的火用效率隨著流量的增加而提高，體積流量為60，80 L/h和100 L/h時(shí)，火用效率分別為17.10%，17.25%和17.55%。由此可見，和普通PV系統(tǒng)相比，PV/T系統(tǒng)具有更高的火用效率，能量利用品質(zhì)更好。

4.4 環(huán)境效益分析

圖13是冷卻水流量對(duì)PV/T系統(tǒng)一年內(nèi)發(fā)電量、CO2減排量和碳排放費(fèi)用減少量的影響圖。

圖13 冷卻水體積流量對(duì)發(fā)電量、CO2減排量和碳排放費(fèi)用減少量的影響Fig.13 Influences of volume flow on power generation,CO2 emission reduction and carbon emission cost reduction

由圖13可知，隨著冷卻水流量的增加，系統(tǒng)的年發(fā)電量增加，隨之的CO2減排量和碳排放費(fèi)用減少量也逐漸增加。普通PV系統(tǒng)的發(fā)電量為96.280 kW·h/a，CO2減排量為0.196 4 kg/a，碳排放費(fèi)用減少量為2.848$/a。當(dāng)冷卻水流量為20 L/h和100 L/h時(shí)，PV/T系統(tǒng)發(fā)電量分別為101.680 kW·h/a和103.837 kW·h/a，CO2減排量分別為0.2074 kg/a和0.211 8 kg/a，碳排放費(fèi)用減少量分別為3.007 7$/a和3.071 4$/a，增幅為5.6%～7.8%。實(shí)驗(yàn)中PV/T系統(tǒng)只用到了一塊太陽能光伏板，如果對(duì)于一個(gè)裝機(jī)容量為50MW的光伏電站，共需要72萬塊左右光伏板，當(dāng)冷卻水流量為100 L/h時(shí)，電站一年的CO2減排量為152 640 kg，碳排放費(fèi)用減少量為2 232 000$。PV/T系統(tǒng)極大地減少了CO2排放量和碳排放費(fèi)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文利用鹵鎢燈模擬太陽輻射對(duì)水冷式PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從系統(tǒng)效率、火用能和環(huán)境效益3個(gè)方面，研究分析了不同冷卻水流量下的PV/T系統(tǒng)的性能變化。

①在相同輻射強(qiáng)度下，與普通PV系統(tǒng)相比，PV/T系統(tǒng)中PV板溫度降低，電效率升高。當(dāng)冷卻水流量從20 L/h增加到100 L/h時(shí)，PV板溫度下降了9.6～13.5℃，電效率增加了0.78%～1.09%，每增加10 L/h的流量，電效率提高0.039%。

②PV/T系統(tǒng)的電效率、熱效率和綜合效率均隨著冷卻水流量的增加而增加。當(dāng)體積流量為20 L/h和100 L/h時(shí)，PV/T系統(tǒng)的熱效率分別為47.32%和62.63%，電效率分別為14.75%和15.06%，綜合效率分別為62.07%和77.69%。

③隨著冷卻水流量的增加，PV/T系統(tǒng)的電火用逐漸增加，熱火用的變化則分為兩個(gè)階段。當(dāng)冷卻水流動(dòng)處于層流時(shí)，系統(tǒng)的熱火用隨流量的增加而減??；當(dāng)冷卻水流動(dòng)處于湍流時(shí)，系統(tǒng)的熱火用隨流量的增加而增加。冷卻水流量為40 L/h時(shí)，系統(tǒng)的火用效率最低。

④PV/T系統(tǒng)產(chǎn)生的電能、CO2減排量和碳排放費(fèi)用減少量均隨著冷卻水流量的增加而增加。當(dāng)冷卻水流量為100 L/h時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能、CO2減排量和碳排放費(fèi)用減少量分別為103.837 kW·h/a，0.211 8 kg/a和3.071 4$/a，比普通PV系統(tǒng)增加7.8%。